Lektsia_4_Obmen_uglevodov_Glikoliz_PFP_2020

ПЛАН ЛЕКЦИИ:
Обмен углеводов.
Гликолиз.
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы.

Обмен углеводов в организме человека складываются из следующих процессов:
Расщепление в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов поступающих с пищей полисахаридов и дисахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь.
Синтез и распад гликогена.
Анаэробное и аэробное расщепление глюкозы. В тканях существует два основных пути распада глюкозы: анаэробный путь гликолиза, который идет без потребления кислорода и аэробный путь прямого окисления глюкозы.
Пентозофосфатный путь.
Аэробный метаболизм пирувата, включающий окислительное декарбоксилирование пирувата и превращение ацетил-КоА в ЦТК.
Глюконеогенез, т. е. образование углеводов из неуглеводных продуктов, таких как пируват, лактат, глицерин, аминокислоты.

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Распад (гликогеногенолиз)
и синтез (гликогеногенез)
гликогена
Аэробный гликолиз
Окислительное
декарбоксилирование
пирувата
ЦТК
Пентозо-
фосфатный
путь
Глюконеогенез
Анаэробный гликолиз

Две основные функции:
Углеводы – источник углеродов, который необходим для синтеза ряда соединений (белков, нуклеиновых кислот, липидов).
Углеводы – обеспечивают до 70% потребности организма в энергии.

Другие функции:
Резервная (крахмал, гликоген).
Структурная (полисахариды образуют прочный остов в комплексе с белками и липидами, они входят в состав биомембран).
Защитная (кислые гетерополисахариды выполняют роль биологического смазочного материала).
Специфическая функция – образование гликопротеидов, гликолипидов. Гликопротеиды – маркеры в процессе узнавания молекулами и клетками друг друга, определяют антигенную специфичность, обусловливают различие групп крови, выполняют рецепторную, каталитическую и другие функции.

Переваривание
углеводов в организме
Источником углеводов для организма служат углеводы пищи - крахмал, сахароза и лактоза. Кроме того, глюкоза может образовываться в организме из аминокислот, глицерина.
Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры. В переваривании принимают участие гидролазы.
Специфические гидролазы: мальтаза, сахараза, лактаза вырабатываются клетками кишечника и содержатся в кишечном соке.

Переваривание углеводов
Амилаза слюны расщепляет α-1,4-гликозидные связи в крахмале. В ротовой полости происходит лишь частичное переваривание крахмала, так как действие фермента на крахмал кратковременно. Основными продуктами переваривания крахмала в ротовой области являются декстрины.
Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих пищевые углеводы. Амилаза слюны инактивируется в желудке, так как оптимальное значение рН для ее активности составляет 6,7, а рН желудочного сока равно ~ 2. Лишь внутри пищевого комка этот фермент некоторое время продолжает действовать.

Переваривание углеводов
Последующее переваривание нерасщепленного или частично расщепленного крахмала происходит в кишечнике. В двенадцатиперстной кишке pH желудочного содержимого нейтрализуется бикарбонатами, содержащимися в секрете поджелудочной железы, и создается оптимальное значение pH 7,5-8 для действия панкреатической α-амилазы.
α-Амилаза поджелудочной железы гидролизует в верхнем отделе тонкого кишечника декстрины и оставшиеся нерасщепленными молекулы крахмала, расщепляя α-1,4-гликозидные связи. Гидролиз происходит путем последовательного отщепления дисахаридных остатков. Так как панкреатическая амилаза не гидролизует α-1,6-гликозидные связи, то продуктами реакции являются мальтоза и изомальтоза, в последней два остатка D-глюкозы связаны α-1,6-гликозидной связью.

Переваривание углеводов
Мальтоза и изомальтоза вместе с другими пищевыми дисахаридами - сахарозой и лактозой - гидролизуются специфическими гликозидазами на поверхности клеток тонкого кишечника (возможно и внутри клеток) до соответствующих мономеров.
Гликозидазы тонкого кишечника синтезируются в клетках, но не секретируются в просвет кишечника, а образуют на поверхности клеток крупные ферментативные комплексы с различной субстратной специфичностью: сахаразо-изомальтазный (гидролизует связи в сахарозе, изомальтозе, мальтозе), гликоамилазный (проявляет экзоамилазную активность, катализует гидролиз олигосахаридов, а также расщепляет связи в мальтозе), β-гликозидазный (расщепляет лактозу).
Целлюлоза - полисахарид растительной пищи - не расщепляется в желудочно-кишечном тракте, так как фермент, способный гидролизовать β-1.4-связи между остатками глюкозы, не вырабатывается у человека, хотя образуется бактериями в толстом кишечнике. Однако непереваренная целлюлоза способствует нормальной перистальтике кишечника.

Переваривание углеводов

Продукты полного переваривания углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза – через клетки кишечника поступают в кровь.
При всасывании из кишечника в кровь моносахариды проникают через клеточные мембраны путем облегченной диффузии и с помощью активного транспорта.
Активный транспорт обеспечивает перенос моносахаридов против градиента концентрации, и поэтому может функционировать тогда, когда концентрация глюкозы или галактозы в кишечнике невелика.
Важнейшие сахара через воротную вену проникают в печень, где идет превращение фруктозы, галактозы и глюкозы.

Гликолиз
Гликолиз (от греч. glykys – сладкий, lysys – распад ) – один центральных путей катаболизма глюкозы.
В процессе гликолиза происходит расщепление шестиуглеродной молекулы глюкозы на две трехуглеродные молекулы пирувата.
Подготовительная стадия, которая состоит из пяти этапов. Продуктом первой стадии гликолиза является глицеральдегид-3-фосфат. Подготовительная стадия гликолиза служит для того, чтобы превратить углеродные цепочки всех метаболизируемых гексоз в один общий продукт – глицеральдегид-3-фосфат.
Вторая стадия гликолиза, состоящая из пяти ферментативных реакций сопровождается образованием энергии.

Гликолиз включает превращения трех разных типов:
Распад углеродного скелета глюкозы с образованием пирувата ( путь атомов углерода ).
Фосфорилирование АДФ высокоэнергетическими фосфорилированными соединениями с образованием АТФ ( путь фосфатных групп ).
Перенос водородных атомов или электронов.

АЭРОБНЫЙ ГЛИКОЛИЗ - специфический путь катаболизма глюкозы, в результате которого происходит расщепление глюкозы с образованием двух молекул пирувата в присутствии кислорода.
Ферменты, катализирующие гликолиз, локализованы в цитозоле клетки.

Стадии гликолиза
I. 1 реакция. Фосфорилирование глюкозы: реакция протекает необратимо, катализируется глюкокиназой или гексокиназой и требует затраты АТФ.

Ферменты участвующие в фосфорилировании глюкозы.
Связывание гексокиназы с гексозой происходит по типу индуцированного соответствия: молекула фермента претерпевает конформационные изменения. Активность гексокиназы ингибируется глю-6-фосфатом.
В печени присутствует другая форма фермента – глюкокиназа. Глюкокиназа специфична в отношении D-глюкозы. Глюкокиназа печени действует при возрастании концентрации глюкозы, например, после приема пищи, богатой углеводами. В этих условиях глюкокиназа действует на избыточную глюкозу крови и переводит ее в глюкозо-6-фосфат для отложения в запас в виде гликогена.
В мышечной ткани глюкокиназа отсутствует.

Второй реакцией глюколиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:
Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бисфосфат расщепляется на две фосфотриозы:
5%
95%

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

II. На второй стадии гликолиза происходит запасание энергии.
Из одной молекулы ГЛЮ образуется две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, который участвует в дальнейших превращениях.
6 реакция. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерат.
Коферментом глицеральдегидфосфатдегидрогеназы является НАД+. Механизм действия этого фермента очень сложен.
2
2

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицерата.
Таким образом, благодаря действию двух ферментов (глицеральде-гидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.
2
2

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и
3-фосфоглицерат превращается 2-фосфоглицерат. Фермент – фосфоглицерамутаза.
Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов Mg2+.
2
2

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицерат в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпируват, а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической.
Енолаза активируется двухвалентными катионами Mg2+или Мn2+ и ингибируется фторидом.
2
2

Десятая реакция характеризуется разрывом высокоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ (субстратное фосфорилирование). Катализируется ферментом пируваткиназой.
Для действия пируваткиназы необходимы ионы Mg2+, а также одновалентные катионы щелочных металлов (К+ или др.). Внутри клетки реакция является практически необратимой.
2
2

Конечным продуктом аэробного гликолиза является
пируват, а энергетический баланс складывается из 2 молекул АТФ образовавшихся в результате субстратного фосфорилирования и остается еще 2 молекулы восстановленного НАД·Н + Н+, от концентрации которого зависит скорость процесса. Для продолжения процесса необходим сброс Н+ на ферменты дыхательной цепи, но сама молекула НАД·Н + Н+ через мембрану митохондрий проникнуть не может, для этого используются переносчики и перенос осуществляется с помощью 2-х механизмов:
1. Глицерофосфатный челночный механизм;
2. Малат – аспартатный челночный механизм;

Малат-аспартатный челночный механизм
Цитоплазма
Митохондрии
ЩУК
малат
НАД·Н + Н+
НАД
+
глутамат
аспартат
глутамат
аспартат
ЩУК
НАД·Н + Н+
НАД
+
дых. цепь
малат
α-КГ
α-КГ
2 НАД
2*3 АТФ= 6 АТФ

Глицерофосфатный челночный механизм
Цитоплазма
Митохондрии
дигидрокси-
ацетонфосфат
Глицерол-3-фосфат
2
2
2НАД·Н + Н+
2НАД
+
ФАД+
ФАДН2
2
2
КоQ
Цв
Цс
Ца/а3
O2
АТФ
АТФ
2ФАДН2
2*2АТФ=4АТФ

Баланс аэробного гликолиза
1 реакция - 1 АТФ
3 реакция - 1 АТФ
6 реакция + 3*2=6 / 2*2=4 АТФ
7 реакция + 1*2=2 АТФ
10 реакция + 1*2=2 АТФ
ИТОГО: 8/6 АТФ

АНАЭРОБНЫЙ ГЛИКОЛИЗ - специфический путь катаболизма глюкозы, в результате которого происходит расщепление глюкозы с образованием двух молекул лактата без участия кислорода.
Отличие анаэробного гликолиза от аэробного заключается в последней 11 реакции.

Дальше процесс идет в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в клетке:
При анаэробных условиях, например в напряженно работающих скелетных мышцах, пируват превращается в лактат.
В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:
2
2

В этих условиях образовавшийся при гликолизе НАДН регенерируется за счет пирувата, который восстанавливается до лактата.
Электроны, пришедшие сначала от глицеральдегид-3-фосфата к НАД+, переносятся в форме НАД·Н + Н+ на пируват.
С накоплением лактата в скелетных мышцах связано возникновение чувства усталости. ЛДГ представлена 5 различными изоферментами. ЛДГ сердечной мышцы характеризуется низкой Кm для пирувата, а ЛДГ мышечной ткани имеет более высокую величину Кm для пирувата.
Суммарная реакция
Глюкоза + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2 пируват + 2NADH + 2Н+ + 2ATФ + 2Н2O

Баланс анаэробного гликолиза
1 реакция - 1 АТФ
3 реакция - 1 АТФ
6 реакция - нет запасания энергии
7 реакция + 1*2=2 АТФ
10 реакция + 1*2=2 АТФ
ИТОГО: 2 АТФ

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы
Локализация: молочная железа, эмбриональная и жировая ткань, эритроциты, легкие, щитовидная железа, мозг, печень, надпочечники.
Все ферменты пентозофосфатного пути локализованы в цитозоле клетки.

В пентозофосфатном пути превращения глюкозы можно выделить:
Окислительный этап
Поставляет клеткам кофермент NADPH (использующийся как донор водорода в реакциях восстановления и гидроксилирования)
Обеспечивает клетки рибозо-5- фосфатом (который участвует в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот).
Неокислительный этапы
Изомерные превращения – катализируется ферментами транскетолазами (кофактором которых является ТДФ- коферм. форма витамина В1) и трансальдолазами.
Эритрозо-4-фосфат является субстратом для биосинтеза фенилаланина и тирозина.

Глюкоза
Глюкозо
-6-фосфат
Фруктозо
-6-фосфат
Глицеральдегид-3-фосфат
Гликолиз
2НАДФ+
2НАДФН·Н+
Окислительная фаза
Синтез жирных кислот
Синтез стероидов
Восстановление глутатиона
Неокислительная фаза
Биосинтез
нуклеотидов
Рибулозо-5-фосфат
Рибозо-5-фосфат
Метаболические функции пентозофосфатного пути
СО2
Обезвреживание веществ
Пируват
НАДН+
АТФ
Пентозофосфатный путь
Эритрозо-4-фосфат
Биосинтез
фенилаланина
тирозина

Условия протекания пентозофосфатного пути окисления глюкозы
Судьба глюкозо-6-фосфата — вступит ли он в гликолиз или пентозофосфатный путь — определяется потребностями клетки в данный момент, а также концентрацией NADP+ в цитозоле.
Без наличия акцептора электронов первая реакция пентозофосфатного пути (катализируемая глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой) не будет идти. Когда клетка быстро переводит NADPH в NADP+ в биосинтетических восстановительных реакциях, уровень NADP+ поднимается, аллостерически стимулируя глюкозо-6-фосфатдегидрогензазу и тем самым увеличивая ток глюкозо-6-фосфата через пентозофосфатный путь.
Когда потребление NADPH замедляется, уровень NADP+ снижается, и глюкозо-6-фосфат утилизируется гликолитически.

НАДФ+
НАДФН+Н+
Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа
Глюконатлактон-гидратаза
Н2О
НАДФ+
НАДФН+Н+
6-Фосфоглюконатдегидрогеназа
СО2
Реакции окислительного этапа пентозофосфатного пути